避免FMT/益生菌无效甚至引狼入室的终极武器
刘洋彧 2018-06-15
时长:25:05
哈佛专家告诉你,生态网络对微生态疗法到底有什么意义?如何精准研发微生态疗法?
刘洋彧
哈佛大学医学院助理教授
布莱根女子医院副研究员
刘洋彧博士现任哈佛大学医学院(HMS)助理教授和布莱根女子医院(BWH)副研究员。2009年至2012年,他在东北大学(NEU) 先后担任博士后和助理研究教授,研究主要方向是用控制论,图论和统计物理学来解决有关复杂网络控制的一些基本问题。他关于复杂网络的可控性和可观性的一系列工作曾被列为Nature封面故事,PNAS封面故事,并受到包括Nature, Science, Science News, Science Daily, WIRED等媒体广泛报道。他于2013年加入哈佛大学医学院。目前他实验室的研究重点是从生态学, 物理学,控制论,和深度学习的角度研究复杂微生物群落 。2016年,他的实验室在Nature上发表了关于人类微生物组的普适动力学的研究成果,并被 Nature, Nature Physics, Science Daily, Science News Line, Medical Research, Medical Press等媒体广泛报道。2017年,他的实验室在Nature Communications上发表了关于微生物群落的生态网络重构的新方法,该方法被 Science Daily, Science Newsline, Quanta Magazine, WIRED等媒体广泛报道。目前他已发表学术论文70余篇,并担任两个期刊的副编辑, 以及超过50个期刊的特约审稿人。
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由G30资助
本演讲由G30企业提供资助,并受到民福社会福利基金会的大力支持和协助。
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图文实录

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各位观众,大家好,很高兴能来到“肠·道”演讲的舞台! 

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首先给大家看一个漫画,大家都能看懂吧?我想在座的各位可能都有共鸣。今天我想结合自己的求学和工作经历,重新注释一下这张漫画。

我是学物理专业的,我从本科、硕士到博士所学专业都是物理。本科读的是低温制冷,硕士研究的是高温超导,博士研究的是磁性系统的相变,博士后期间开始从事复杂网络的控制。

五年前从我自己正式建立实验室的时候,才开始接触并从事肠道菌群的研究。

但是我的感想完全可以用第四张漫画上这两个英文字来形容:“这个领域太火了,我是不是加入得太晚了?”

现在想想也未必,因为这个领域真是充满了机遇和挑战。 

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首先我想请问在座的各位,您知道一辆普通的家庭小轿车有多少个零部件吗?

关于这个问题,我上网查了一下比较靠谱的答案:

如果不算那些标准的通用件——螺栓、螺母和垫片之类的,一辆普通的家庭小轿车大概有5000个零部件,摊在地上, 就是大家看到的这个样子。

这时我再想请问各位开过车的朋友,您有没有想过这样一个情况:

本来您的车开得好好的,突然抛锚了,怎么修也修不好,就好像一个人得了不治之症一样,这可能吗?听上去有点匪夷所思。

因为即便我们自己不会修车,我总是可以把车送到修车厂去,一个经验丰富的修车师傅总是可以帮我们把车修好。 

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这个道理很简单,因为一个经验丰富的修车师傅不仅知道一辆车有多少零部件,关键他还知道这些零部件是如何连接在一块的。换句话说,他知道一部车的结构线路图。

说这些,有人会说:“这跟肠道菌群有半点关系吗?”而我说:“有且关系很大。”为什么呢? 

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今天,如果我说我们的肠道菌群是一个复杂的生态系统,你是同意呢,同意呢,还是同意呢?

对这样一个复杂的生态系统,尽管随着测序技术的进步,有哪些“零部件”也就是有哪些不同种类的微生物,我们知道得越来越多,可是这些零部件之间或者说这些不同种类的微生物之间,是如何相互作用的呢?

换句话说,我们肠道菌群所对应的结构线路图长什么样子呢?用生态学专业术语说,我们的肠道菌群所对应的生态网络长什么样子呢?

很遗憾,我很负责任地告诉大家,现在没人知道。

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有人可能会反对:“我就在文献上看过,而且是画得很酷炫的生态网络。”我想你看的大概是这种基于统计关联建立起来的共生网络,就像这张幻灯片上面这个网络一样。

这里面每一个点代表一个物种,它的颜色代表这个物种所属的门,两个物种之间的连边代表它们在不同的样本当中共同出现的统计显著性。

没错,我承认这样的网络可以画得很酷炫,发表的杂志也很高大上。

但是我要强调的是这种基于统计关联建立起来的网络,其连边是没有方向的,这意味着它是不包含因果性的。

这种网络除了受到某些杂志编辑和审稿人喜爱之外,在我看来其实没有什么太大的用处。 

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如果您不同意,我给您举一个非常简单的例子:

这是一个非常简单的生态系统,只有两个物种X和Y相互抑制,我们用简单的离散动力学方程,也就是上面这两个差分方程来描述X和Y,它的丰度随时间变化。

在初始时刻,如果我知道X和Y的丰度,通过简单的迭代运算可以计算出在任意时刻X和Y的丰度,对应的就是这张图上红色和蓝色的这两条线,你会发现什么呢?

你会发现:在时间A这个窗口X和Y的丰度高度正关联,在B这个窗口高度负关联,在C这个窗口关联竟然消失了,这意味着什么?如果,两个物种的丰度的关联随时间变化,那这个关联本身又有什么意义呢?

连这样一个只有两个物种且最简单的生态系统,其统计关联都有这种很复杂的,随时间变化的现象,就更不要说我们的肠道菌群这样一个复杂的生态系统了。

大家想想是不是这个道理,其实很简单,因为关联并不代表因果。

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那么包含因果性的生态网络究竟长什么样子呢?很抱歉,我们现在并不知道。

在这里,我姑且用这张示意图来解释一下生态网络的一些基本概念。这张图里每一个点依然代表一个物种,节点之间的连边代表物种之间的相互作用,这个作用或者说这个连边是有符号的,可以用不同的颜色来表示。其中蓝色代表促进作用,红色代表抑制作用,而且这个连边的作用是有强弱之分的,强弱可以用这个连边的粗细来表示,最关键的是这个连边有方向,不一定是双向的。

比如,我们看到这里面物种1有一条指向物种2的蓝色边,这代表物种1可以促进物种2的生长。这种促进作用可能是因为物种1产生的一些代谢产物可以刚好被物种2吸收。我们还看到物种13有一条红色的边指向物种8,这代表物种13可以抑制物种8的生长。这种抑制作用可能是物种13会直接分泌一些化学物质(比如细菌素),可以直接杀死物种8,也有可能是物种13和8竞争同样的营养物质。

说这些生态网络对我们的微生态疗法到底有什么意义呢?不知道这个网络,难道微生态疗法就没有希望了吗?粪菌移植还不是照样如火如荼吗?

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那么就以粪菌移植为例来讲解,这里姑且只谈艰难梭菌感染。

以这个简单的生态网络为例,假设物种C就是代表艰难梭菌,我们可以通过生态学的模拟来计算艰难梭菌的丰度随时间的变化。

大家看到,在绿色的窗口有一个健康肠道菌群完整的生态网络。

如果我们服用太多的抗生素,就会导致我们肠道里面不管好的还是坏的细菌都被杀死,那些本来可以抑制艰难梭菌生长的菌被杀死之后,艰难梭菌就会过度生长,泛滥成灾。

这就像任何一个复杂的生态系统一样,如果某个物种的天敌消失了,那么这个物种必然会泛滥成灾。

这个时候所谓的微生态疗法出场了。如果采用粪菌移植,我们知道一个健康的个体,其肠道菌群必然含有那些可以抑制艰难梭菌生长的菌种,否则他们的肠道菌群可能已经失调或者即将失调。

当我们把这些可以抑制艰难梭菌生长的菌移植到病人的肠道菌群当中去,艰难梭菌的生长自然会得到抑制。

所以从生态学的角度,我们可以很完美地呈现一个人被艰难梭菌感染,又被粪菌移植疗法所治愈的这样一个过程。

说这些,有的人会质疑,消化科的医生并不知道生态网络长什么样子,可粪菌移植不是照样做得如火如荼吗?那你说的这个生态网络到底有什么用呢?

这里我要强调的是,并不是所有人都愿意接受粪菌移植。其次,粪菌移植手术后患各种并发症的风险有多高,我们并不是百分之百地清楚。

我们可能有的人听说过这样一个案例:在美国有一位32岁的女性,她选择的供体是她超重的女儿。结果在粪菌移植之后,她的体重增加了40磅,BMI从26升高到34.5,而且怎么锻炼也减不下来,这还只是肥胖症。

如果供体选择得不好,粪菌移植会不会导致焦虑、抑郁甚至其它更复杂的脑部疾病呢?现在我们并不是十分地清楚。

因为粪菌移植就像一个黑箱子,我们并不知道我们精确移植了哪些菌,而在这些菌中的哪些菌起了关键作用,哪些菌没有作用,哪些菌甚至是有害的。

所以很多人就会想,我们能不能改进粪菌移植,把那些起关键作用的菌挑出来,做成所谓的益生菌组合。确实很多人这么做,很多公司也在这么做。 

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这时候我想强调的是,此时设计一个非常合理的益生菌组合生态网络非常重要。

我们还是以刚才这个网络为例,在这张图上蓝色背景的部分我画了不同颜色的线,分别代表不同的益生菌组合对艰难梭菌的抑制。

大家显然可以看到不同的益生菌组合效果非常不一样。

如果我们不知道这个网络的整体结构,我们设计的益生菌组合其疗效或许并不像我们想象的那么好,甚至有可能引狼入室。

比如,从这个网络结构分析,如果你想当然的把物种2放到益生菌组合里面,可以看到物种2是直接抑制艰难梭菌的。

如果你单单放物种2,艰难梭菌的丰度就比发病的时候还要高,即使我们吃了不同的组合,只要你引入物种2,疗效都会变得很差,这是为什么呢?

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仔细看一下这个生态网络的结构,我们才发现,物种2确实是直接抑制艰难梭菌生长的。但是,它同时又直接地促进了物种6的生长,而物种6的生长直接地促进了艰难梭菌的生长,换句话说物种2会间接地促进艰难梭菌的生长。

如果这种间接的促进作用超过了直接的抑制作用,那么可以想象,引入物种2就是引狼入室。

我不知道国内有多少家公司在从事益生菌组合疗法的研制,来治愈艰难梭菌感染及其它更复杂的疾病,比如炎症性肠病。

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在美国,就在我工作的城市波士顿就有很多家这样的公司。

其中有一家非常知名的上市公司,它上市这几年,股价如图,大家可以看到刚开始一飞冲天,最高时达到50美金,现在不到8美金。

大家可以看到,在2016年7月的时候它的股价呈现出断崖式的下降,跌了70%。那天市值蒸发了10亿美金,这是为什么呢?

是因为他们的所谓的旗舰的产品——一种号称可以治愈复发性艰难梭菌感染的益生菌组合胶囊在二期临床实验中失败了。在有些年龄段的分组中,它的表现甚至还不如安慰剂。很多人可能记得这件事情,当时热心肠先生曾经在微信群里面组织过一次讨论。

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说了生态网络的重要性,那么究竟如何从实际数据中去构造我们想要的生态网络呢?

由于我们想要的网络是包含因果性的,所以通常需要分析时序数据,去重构网络。这在控制论里面叫系统辨识问题,在网络科学里面叫网络重构问题。

这个问题对于肠道菌群来说很难解决,不是因为没有方法,而是因为能采集到的时序数据信息量不够,或者说时序性不强。这是为什么呢?

我们知道一个健康成年人的肠道菌群在不做任何高强度的、高频率的干预情况下,比如饮食习惯的剧烈变化、大量服用抗生素等等,其结构组成其实是非常稳定的。

这就意味着即便你说服一个人每天采集大便样品一次,坚持了一年,你得到的时序数据信息量依然是不够的。那怎么办呢?

告诉大家一个好消息,最近我们在自然通讯上面发表了一篇论文,抛弃了以前的做法。我们从横断面数据出发,可以构造出一个微生物系统的生态网络。

这里面不需要引入任何人为的干预,我们只是从横断面的数据出发,通过分析不同样本物种组成的差别,可以重构出这个复杂的生态网络。

这听上去很有意思,但是我得承认我们的方法也有一定的局限性。比如,它需要大样本数据。我们粗略估计了一下,如果肠道菌群有一千种不同的物种,那需要大约5000个不同的样本,而且这5000个不同的样本必须来自不同的健康的个体。

但愿在不远的将来,我们可以实现这个目标。而在没有实现这个目标之前,是不是关于肠道菌群生态网络的问题就不能研究了呢?

当然不是,这其中有一个非常根本性的问题:就是我们的肠道菌群所对应的生态网络是否高度个性化?很多人会说,当然高度个性化。 

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美国人类微生物计划在2012年发表的文章已经揭示得很清楚了,就像这张图上面,每一个竖条代表的是一个参与的健康个体的某一个身体部位所得到的菌群样本的物种组成。

你发现你找不到任何两个菌群样本,其物种组成是一模一样的。我们的菌群组成就像我们的指纹一样,它是如此的高度个性化。以至于有人开发了一个算法,使用这个算法可以通过菌群组成来鉴定这个样本来自哪个个体。

这个方法对肠道菌群尤其有效果,好到什么程度呢?

也就是说我根据你今天的菌群样本(比如你的粪便样本)做测序,得到物种分类的组成,这个方法可以80%的成功率告诉你:一年前的那个粪便样本是不是你制造出来的。

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大家可能听说过这样两句话:“我吃故我在,我思故我在”,今天我们是不是可以说另外一句话呢?大家可以自行脑补一下。

这虽然只是一个笑话,但是我想强调的是,这当时确实让我想到了一个根本性的问题:我们的肠道菌群所对应的生态网络真的是高度个性化的吗?

如果是,我想告诉大家,那将是一件非常悲哀的事情。微生态疗法真的就没有希望了,为什么呢?

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我们以粪菌移植为例,假如我们的肠道菌群所对应的生态网络是高度个性化,那意味着什么?

把一个健康供体的肠道菌群移植到一个得了复发性艰难梭菌感染的病人肠道当中去的时候,很有可能,那些本来可以抑制艰难梭菌生长的菌到了病人的体内,反而会变得促进艰难梭菌的生长,不是吗?

这是一件非常恐怖的事情。

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其实所有的微生态疗法,不管成功与否,我们都想当然地认为:

我们的肠道菌群所对应的生态网络是高度普适的,只是从来没有人认真研究过这个问题,或者说没有意识到这是个问题。

作为一个从事基础科学的人,我觉得有必要把这个问题说清楚,因为这个问题的研究将为我们研发普适的微生态疗法奠定基础。

但是刚才说了肠道菌群生态网络的重构非常困难,那如何在不重构网络的情况下,研究网络的普适性问题呢?这听上去是一个不可能的事情,但是我们做到了。

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在没有重构肠道菌群的生态网络情况下,我们发现健康的成年人的肠道菌群所对应的生态网络是高度普适的。

如果您对我们的计算方法感兴趣的话,可以看一下我们在2016年发表的文章以及同期刊发表的新闻评述文章。

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这里我要强调,我说我们的肠道菌群所对应的生态网络高度普适,并不是说我们每个人的肠道菌群所对应的生态网络都是一模一样的。

刚才已经说了,我们的肠道菌群的物种组成是高度个性化的,这跟我们的出生方式、喂养方式、饮食习惯和生活习惯等等都有关系。

但是我们共享的那些菌,其相互作用是不强烈依赖于宿主本身的。换句话说,我们每个人肠道菌群所对应的生态网络都是一个大普适生态网络中不同的子网络。

因此我们的肠道菌群具有高度个性化的特点,其生态网络又高度地普适。这两者并不矛盾,这也就为我们研发普适的微生态疗法奠定了基础。

谈到这里大家可能会说:“那为什么到目前为止,所谓的微生态疗法也只有粪菌移植治愈艰难梭菌感染最为成功呢?”

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这里我从生态学的角度给大家一个解释。

这张图给大家已经看过了,这是美国人类微生物组计划的一个很重要的成果,就是我们肠道菌群的物种组成高度个性化。

但是在同一篇文章里面,他们还有另外一个非常重要的结果,就是我们的肠道菌群或者说其他身体部位菌群的功能组成是高度普适的。这意味着什么呢? 

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用生态学的语言讲,这意味着它具有很强的功能冗余性,也就是不同的物种可以行使相似的功能。因此它们可以相互取代,而不影响整个系统的生态功能。听上去很拗口,其实功能冗余性是一个非常重要的生态学概念。

可惜在肠道菌群的研究当中功能冗余性并没有受到应有的重视。大家都说我们看到了功能冗余性,然后就没有然后了。

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这里我要强调,功能冗余性真的是一个非常重要的概念,比如它对一个生态系统的韧性起到了极大的影响。

大家可以想象,如果一个生态系统的物种丰富度或者多样性很低,那么任何一个物种灭绝都会导致整个生态系统功能的下降,因为那个灭绝的物种所行使的功能其他物种并不能取代。

如果一个生态系统的物种多样性达到了一定的程度,也就是其功能冗余性也达到了一定的程度,就对应的是这张图上面黑色曲线趋于饱和。

在这种情况下,我们说这个系统的功能冗余性很强。这时候再有少量物种的灭绝并不会影响整个系统的功能。因为那些灭绝的物种可以行使的功能,完全可以被残留的物种所行使。

这时我们说,这个系统的韧性得到了极大地加强,它的生态恢复力很强,对应的就是这张图上面红色的曲线。 

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我们肠道菌群的功能冗余性还可以解释很有意思的一些现象,比如刚才提到的一个健康成年人,他的肠道菌群的物种组成是相当稳定的。

这里面我给大家看的是两张主坐标分析图,上面每一个蓝色的点代表的是美国人类微生物组计划的一个参与者,两个蓝色的点越近,代表这两个样本肠道菌群的物种组成越相似,反之亦然。

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同时我还找了两个健康的成年人的两张主坐标分析图,图片显示他们肠道菌群的物种组成在一年内的变化,分别对应的是黄色和红色的点。

这里有意思的是,这两个成年人刚好是一对夫妻,大家猜猜看哪位是丈夫?左边的。答对了!

大家可能会想:“为什么这位丈夫的肠道菌群的物种组成会有那么多的跳变呢?你刚才不是还说一个健康成年人的肠道菌群是相当稳定吗?”

这里我的猜想是这个丈夫大概他很忙,满世界飞,经常尝试不同的饮食,也有可能他会尝试一些益生菌组合,所以你会看到一些跳变。

他的妻子可能不太出差,也有可能是一位全职太太,很注重饮食,所以她的肠道菌群非常稳定。

但其实这只是故事的一部分。我要强调的是,即便这位丈夫肠道菌群的物种组成每次跳变,但之后很快又回到原来的地方。

就像这个系统有一个吸引子一样,这正是这个系统有很强的功能上的稳定性的体现。这跟这个系统的功能冗余性有非常大的关系,为什么这么说呢?

如果一个生态系统的功能冗余性很强,则外来物种很难定殖,因为外来物种可以行使的功能,在已有的物种当中有极大的概率都可以行使。

我们知道功能相似的物种必定竞争相同的生态位,根据生态学的竞争不相容原理,或者说一山容不得二虎,外来的物种自然很难定殖。 

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这也就是说肠道菌群的功能冗余性可以帮我们解释,一个健康成年人的肠道菌群相当地稳定的原因。

肠道菌群的功能冗余性还可以帮我们解释,为什么到目前为止,粪菌移植治疗复发性艰难梭菌感染最为有效,而对其他的复杂疾病效果却没有我们想象那么好。

我们最近开发的一个方法,可以精确地计算每一个菌群样本的功能冗余性,这在以前的工作当中是不可想象的。

因为以前的工作都是分析多个样本,定性地说一下功能冗余性,从来没有人精确地去计算每一个菌群样本的功能冗余性。

我们分析了六种不同的疾病,比较了病例组和对照组。

以艰难梭菌感染为例,我们发现在病人实施粪菌移植之前,他的肠道菌群的功能冗余性相当地低,也就是说他的生态系统韧性非常地差,但是在做了粪菌移植之后,他的肠道菌群的功能冗余性变得跟供体一样地高。

对其他的五种疾病(比如炎症性肠病、哮喘、肥胖、自闭症和帕金森症),我们比较了病例组和对照组的肠道菌群的功能冗余性,并没有发现显著的差别。这怎么理解呢?

在我看来,得了这些病的病人,它们的肠道菌群的功能冗余性和正常人一样高。这就意味着,外来的物种很难入侵,一般的微生态疗法(比如粪菌移植)其实很难成功。 

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最后回到这张漫画,我花了十几年的时间学物理,最后终于找到自己的最爱的领域,原来是肠道菌群研究。

我想我会为之奋斗一辈子,因为这个领域充满了机遇和挑战,不管是从基础到临床都有那么多值得研究的问题。

同时我也坚信不同学科的交叉和融合,可以帮我们揭示更多的肠道菌群的奥秘,从而研发出更好、更安全的微生态疗法以造福人类。

谢谢大家!


(分享结束)

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